От магнит. и лат. strictio - сжатие, натягивание.

Изменение размеров и форм тела при его намагничивании.

М. поликристаллического образца количественно характеризуется его относительным удлинением Dl / l в направлении магнитного поля (продольная М.) и в направлении, перпендикулярном к направлению поля (поперечная М.). М. значительна только у ферромагнитных материалов. Явление, обратное М., - изменение намагниченности ферромагнитного тела при его деформации - наз. магнитоупругим эффектом или эффектом Виллари. На М. основана работа магнитострикционных преобразователей и магнитоупругих преобразователей.

Явление М. было открыто Дж. Джоулем в 1842. В ферро- и ферримагнетиках (Fe, Ni, Со, Gd, Tb и других, ряде сплавов, ферритах) М. достигает значительной величины (относительное удлинение Dl / l » 10^-6-10^-2). В антиферромагнетиках, парамагнетиках и диамагнетиках М. очень мала. Обратное по отношению к М. явление - изменение намагниченности ферромагнитного образца при деформации - называется магнитоупругим эффектом, иногда - Виллари эффектом.

В современной теории магнетизма М. рассматривают как результат проявления основных типов взаимодействий в ферромагнитных телах: электрического обменного взаимодействия и магнитного взаимодействия (см. Ферромагнетизм). В соответствии с этим возможны 2 вида различных по природе магнитострикционных деформаций кристаллические решётки: за счёт изменения магнитных сил (диполь-дипольных и спин-орбитальных) и за счёт изменения обменных сил.

При намагничивании ферро- и ферримагнетиков магнитные силы действуют в интервале полей от 0 до поля напряжённостью H_s, в котором образец достигает технического магнитного насыщения I_s. Намагничивание в этом интервале полей обусловлено процессами смещения границ между доменами и вращения магнитных моментов доменов. Оба эти процесса изменяют энергетическое состояние кристаллической решётки, что проявляется в изменении равновесных расстояний между её узлами. В результате атомы смещаются, происходит магнитострикционная деформация решётки. М. этого вида носит анизотропный характер (зависит от направления и величины намагниченности J) и проявляется в основном в изменении формы кристалла почти без изменения его объёма (линейная М.). Для расчёта линейной М. существуют полуэмпирические формулы. Так, М. ферромагнитных кристаллов кубической симметрии, намагниченных до насыщения, рассчитывается по формуле:

где s_i, s_j и b_i, b_j - направляющие косинусы соответственно вектора J_s и направления измерения относительно рёбер куба, а₁ и a₂ - константы анизотропии М., численно равные , , где и - максимальные линейные М. соответственно в направлении ребра и диагонали ячейки кристалла. Величину l_s = (Dl / l) _s называют М. насыщения или магнитострикционной постоянной.

М., обусловленная обменными силами, в ферромагнетиках наблюдается в области намагничивания выше технического насыщения, где магнитные моменты доменов полностью ориентированы в направлении поля и происходит только рост абсолютной величины J_s (парапроцесс, или истинное намагничивание). М. за счёт обменных сил в кубических кристаллах изотропна, то есть проявляется в изменении объёма тела. В гексагональных кристаллах (например, гадолинии) эта М. анизотропна. М. за счёт парапроцесса в большинстве ферромагнетиков при комнатных температурах мала, она мала и вблизи точки Кюри, где парапроцесс почти полностью определяет ферромагнитные свойства вещества. Однако в некоторых сплавах с малым коэффициентом теплового расширения (инварных магнитных сплавах) М. велика [в магнитных полях ~ 8Ч10⁴ а/м (10³ э) отношение DV / V ~ 10^-5]. Значительная по величине М. парапроцесса возникает также в ферритах при разрушении или создании магнитным полем неколлинеарных магнитных структур.

М. относится к так называемым чётным магнитным эффектам, так как она не зависит от знака магнитного поля. Экспериментально больше всего изучалась М. в поликристаллических ферромагнетиках. Обычно измеряется относительное удлинение образца в направлении поля (продольная М.) или перпендикулярно направлению поля (поперечная М.). Для металлов и большинства сплавов продольная и поперечная М. в области полей технического намагничивания имеют разные знаки, причём величина поперечной М. меньше, чем продольной, а в области парапроцесса эти величины одинаковы (см. рис. 1). Для большинства ферритов как продольная, так и поперечная М. отрицательны; причина этого ещё не ясна. Величина, знак и графический ход зависимости М. от напряжённости поля и намагниченности зависят от структурных особенностей образца (кристаллографической текстуры, примесей посторонних элементов, термической и холодной обработки). У Fe (см. рис. 2) продольная М. в слабом магнитном поле положительна (удлинение тела), а в более сильном поле - отрицательна (укорочение тела). Для Ni при всех значениях поля продольная М. отрицательна. Сложный характер М. в поликристаллических образцах ферромагнетиков определяется особенностями анизотропии М. в кристаллах соответствующего металла. Большинство сплавов Fe - Ni, Fe - Co, Fe - Pt и других имеют положительный знак продольной М.: Dl / l » (1-10)Ч10^-5. Наибольшей продольной М. обладают сплавы Fe - Pt, Fe - Pd, Fe - Со, Mn - Sb, Mn - Cu - Bi, Fe - Rh. Среди ферритов наибольшая М. у CoFe₂O₄, Tb₃Fe₅O₁₂, Dy₃Fe₅O₁₂: Dl / l » (2-25)Ч10^-4. Рекордно высока М. у некоторых редкоземельных металлов, их сплавов и соединений, например у Tb и Dy, у TbFe₂ и DyFe₂: Dl / l » 10^-3-10^-2 (в зависимости от величины приложенного поля). М. примерно такого же порядка обнаружена у ряда соединений урана (U₃As₄, U₃P₄ и других).

Рис. 1 Продольная (кривая I) и поперечная (кривая II) магнитострикция сплава Ni (36 %) - Fe (64 %). В слабых полях они имеют разные знаки, в сильных - при парапроцессе - одинаковый знак (здесь магнитострикция носит объёмный характер)

Рис. 2 Зависимость продольной магнитострикции ряда поликристаллических металлов, сплавов и соединений от напряжённости магнитного поля

М. в области технического намагничивания обнаруживает явление гистерезиса (см. рис. 3). На М. в сильной степени влияют также температура, упругие напряжения и даже характер размагничивания, которому подвергался образец перед измерением.

Рис. 3 Магнитострикционный гистерезис железа, обусловленный его магнитным гистерезисом

Всестороннее изучение М. прежде всего способствует выяснению физической природы сил, которые определяют ферри-, антиферро- и ферромагнитное поведение вещества. Исследование М., особенно в области технического намагничивания, играет также большую роль при изысканиях новых магнитных материалов; например, отмечено, что высокая магнитная проницаемость сплавов типа пермаллоя связана с тем, что в них мала М. (наряду с малым значением константы магнитной анизотропии).

С магнитострикционными эффектами связаны аномалии теплового расширения ферро-, ферри- и антиферромагнитных тел. Эти аномалии объясняются тем, что магнитострикционные деформации, вызываемые обменными (а в общем случае и магнитными) силами в решётке, проявляются не только при помещении указанных тел в магнитное поле, но также при нагревании их в отсутствии поля (термострикция). Изменение объёма тел вследствие термострикции особенно значительно при магнитных фазовых переходах (в точках Кюри и Нееля, при температуре перехода коллинеарной магнитной структуры в неколлинеарную и других). Наложение этих изменений объёма на обычное тепловое расширение (обусловленное тепловыми колебаниями атомов в решётке) иногда приводит к аномально малому значению коэффициента теплового расширения у некоторых материалов. Экспериментально доказано, например, что малое тепловое расширение сплавов типа инвар объясняется влиянием возникающих при нагреве отрицательных магнитострикционных деформаций, которые почти полностью компенсируют «нормальное» тепловое расширение таких сплавов.

С М. связаны различные аномалии упругости в ферро-, ферри- и антиферромагнетиках. Резкие аномалии модулей упругости и внутреннего трения, наблюдаемые в указанных веществах в районе точек Кюри и Нееля и других фазовых магнитных переходов, обязаны влиянию М., возникающей при нагреве. Кроме того, при воздействии на ферро- и ферримагнитные тела упругих напряжений в них даже при отсутствии внешнего магнитного поля происходит перераспределение магнитных моментов доменов (в общем случае изменяется и абсолютная величина самопроизвольной намагниченности домена). Эти процессы сопровождаются дополнительной деформацией тела магнитострикционной природы - механострикцией, которая приводит к отклонениям от закона Гука. В непосредственной связи с механострикцией находится явление изменения под влиянием магнитного поля модуля упругости Е ферромагнитных металлов (DЕ-эффект).

Для измерения М. наибольшее распространение получили установки, работающие по принципу механооптического рычага, позволяющие наблюдать относительные изменения длины образца до 10^-6. Ещё большую чувствительность дают радиотехнический и интерференционный методы. Получил распространение также метод проволочных датчиков, в котором на образец наклеивают проволочку, включенную в одно из плечей моста измерительного. Изменение длины проволочки и её электрического сопротивления при магнитострикционном изменении размеров образца с высокой точностью фиксируется электроизмерительным прибором.

М. нашла широкое применение в технике. На явлении М. основано действие магнитострикционных преобразователей (датчиков) и реле, излучателей и приёмников ультразвука, фильтров и стабилизаторов частоты в радиотехнических устройствах, магнитострикционных линий задержки и т.д.

Лит.: Вонсовский С. В., Магнетизм, М., 1971; Белов К. П., Упругие, тепловые и электрические явления в ферромагнетиках, 2 изд., М. - Л., 1957; Бозорт Р., Ферромагнетизм, перевод с английского, М., 1956; Редкоземельные ферромагнетики и антиферромагнетики, М., 1965; Ультразвуковые преобразователи, перевод с английского, под редакцией И. П. Голяминой, М., 1972.

К. П. Белов

От макро... и лат. stuctura - строение.

Строение металла, видимое невооружённым глазом или с помощью лупы, то есть при увеличениях до 25 раз. М. изучают на плоских образцах - темплетах, вырезанных из изделия или заготовки, а также на изломах изделия. Для выявления М. поверхность темплета тщательно шлифуют, затем травят растворами кислот или щелочей. При исследовании М. можно обнаружить нарушения сплошности (см. рис.1,2) металла (раковины, рыхлость, газовые пузыри, расслоения, трещины и т. д.), выявить распределение примесей и неметаллических включений, форму и расположение кристаллитов (зёрен) в разных частях изделия, а иногда даже особенности строения отдельных зёрен металла (см. Металлография). Изучение М. позволяет сделать заключение о качестве заготовки и правильности ведения технологического процесса при литье, обработке давлением или сварке изделия. В некоторых случаях качество металла характеризуется видом излома, позволяющим установить, как проходит поверхность разрушения (по телу или по границам зёрен), выяснить причины разрушения и т. д.

Рис. 1 Макроструктура кованой стальной заклепки. Волокна видны вследствие неоднородного распределения примесей в металле. Натуральная величина

Рис. 2 Макроструктура литого сплава на основе железа. Зёрна вытянуты в направлении отвода тепла при затвердевании

В. Ю. Новиков

Сплав на основе меди с добавкой марганца (11,5-13,5 %) и никеля (2,5-3,5 %), характеризующийся чрезвычайно малым изменением электрического сопротивления в области комнатных температур. Впервые предложен в Германии в 1889. Удельное электрическое сопротивление М. при 20 °С 0,47 мком·м, температурный коэффициент электрического сопротивления в интервале температур 15-35 °С 2Ч10^-6 1/°С (после специальной термической обработки - стабилизирующего отжига), t_пл 960 °С. Из М. изготовляют эталонные сопротивления и элементы измерительных приборов. Существенное преимущество М. перед константаном заключается в том, что М. обладает очень малой термоэдс в паре с медью (не более 1 мкв /1 °С), поэтому в приборах высокого класса точности применяют только М. В то же время М., в отличие от константана, неустойчив против коррозии в атмосфере, содержащей пары кислот, аммиака, а также чувствителен к значительному изменению влажности воздуха. К М. относят также некоторые сплавы на основе серебра с добавками марганца (до 17 %), олова (до 7 %) и других элементов (так называемые серебряные М.).

Л. Л. Жуков

1) В горном деле - основной механизм буровой каретки, предназначенный для перемещения в призабойном пространстве автоподатчика с перфоратором (бурильной машиной). М. иногда используются для навешивания на них различного вида приспособлений, позволяющих производить подъём элементов крепи, заряжание шпуров, осмотр кровли и т. п. По конструкции М. делятся на 4 основных типа: радиальные (вращательные), линейные, колонкообразные, стреловидные. Привод М. бывает пневматическим, гидравлическим и комбинированным (иногда на отдельных вспомогательных операциях применяется ручной привод). Наибольшее распространение имеют колонкообразные и стреловидные М. Для стреловидных М. ширина и высота обуриваемого забоя может меняться в широких пределах; при использовании колонкообразных М. эти параметры ограничены. Стреловидные М. применяются также в качестве навесного оборудования, устанавливаемого на погрузочных машинах.

2) В процессах обработки металлов давлением - машина для выполнения вспомогательных операций, связанных с изменением положения заготовки.

Прокатный М. выполняет следующие операции: передаёт металл от одного калибра к другому; направляет его при входе в валки и выходе из них; иногда осуществляет правку металла, если он при выходе из валков сильно изогнулся и его дальнейшая прокатка затрудняется. Прокатные М. находят применение главным образом у блюмингов, слябингов и обжимных клетей сортовых станов. В этом случае они обычно представляют собой 2 горизонтальные (расположенные параллельно оси стана) массивные линейки, которые могут передвигаться вдоль бочки валков (см. Валки прокатные). Каждая линейка приводится в движение отдельным электродвигателем через зубчато-реечную передачу. Скорость перемещения линеек 0,5-1 м/сек. На одной из них обычно устанавливается кантователь.

Ковочный М. применяют для механизации процессов ковки и штамповки на молотах и гидравлических прессах. Рабочий орган М. - мощные механизированные клещи - предназначен для захвата заготовок массой до 150 т. Клещи перемещают заготовку в горизонтальной и вертикальной плоскостях, вращают её во время обработки. М. может двигаться по цеху в определенном направлении (по рельсовым путям) или в любом направлении (если имеет колёса на резиновом ходу). Это позволяет использовать М. для подачи заготовок в нагревательную печь, для транспортировки их к молоту или прессу, а после обработки - для перемещения готовой поковки. При изготовлении поковок массой более 150 т М. работает вместе с подъёмным краном и кантователем, поддерживая один из концов заготовки. Перспективно применение М. с автоматизированным управлением с помощью следящих систем.

3) В ядерной технике - приспособление для работы с радиоактивными веществами, исключающее непосредственный контакт человека с этими веществами. С помощью М. можно захватывать предмет, находящийся за защитной стенкой, перемещать и поворачивать его. М. пантографического типа с механическим приводом (копирующий М.) точно воспроизводит движение руки оператора. Угловая ориентация копирующей «руки» и движения, имитирующие сжимание и захват, передаются гидравлическим приводом или тросами, идущими от управляющей рукоятки к копирующей «руке». Для дистанционного управления на большом расстоянии от оператора применяются М., управляющее и копирующее плечи которых связаны между собой электрически.

Лат. Manganum.

Mn - химический элемент VII группы периодической системы Менделеева; атомный номер 25, атомная масса 54,9380; тяжёлый серебристо-белый металл. В природе элемент представлен одним стабильным изотопом ⁵⁵Mn.

Историческая справка. Минералы М. известны издавна. Древнеримский натуралист Плиний упоминает о чёрном камне, который использовали для обесцвечивания жидкой стеклянной массы; речь шла о минерале пиролюзите MnO_2. В Грузии пиролюзит с древнейших времён служил присадочным материалом при получении железа. Долгое время пиролюзит называли чёрной магнезией и считали разновидностью магнитного железняка (магнетита). В 1774 К. Шееле показал, что это соединение неизвестного металла, а другой шведский учёный Ю. Ган, сильно нагревая смесь пиролюзита с углём, получил М., загрязнённый углеродом. Название М. традиционно производят от немецкого Manganerz - марганцевая руда.

Распространение в природе. Среднее содержание М. в земной коре 0,1 %, в большинстве изверженных пород 0,06-0,2 % по массе, где он находится в рассеянном состоянии в форме Mn²⁺ (аналог Fe²⁺). На земной поверхности Mn²⁺ легко окисляется, здесь известны также минералы Mn³⁺ и Mn⁴⁺ (см. Марганцевые руды). В биосфере М. энергично мигрирует в восстановительных условиях и малоподвижен в окислительной среде. Наиболее подвижен М. в кислых водах тундры и лесных ландшафтов, где он находится в форме Mn²⁺. Содержание М. здесь часто повышено и культурные растения местами страдают от избытка М.; в почвах, озёрах, болотах образуются железо-марганцевые конкреции, озёрные и болотные руды. В сухих степях и пустынях в условиях щелочной окислительной среды М. малоподвижен, организмы бедны М., культурные растения часто нуждаются в марганцевых микроудобрениях. Речные воды бедны М. (10^-6-10^-5 г/л), однако суммарный вынос этого элемента реками огромен, причём основная его масса осаждается в прибрежной зоне. Ещё меньше М. в воде озёр, морей и океанов; во многих местах океанического дна распространены железо-марганцевые конкреции, образовавшиеся в прошлые геологические периоды.

Физические и химические свойства. Плотность М. 7,2-7,4 г/см³, t_пл 1245 °С; t_кип 2150 °C. М. имеет 4 полиморфные модификации: a-Mn (кубическая объёмноцентрированная решётка с 58 атомами в элементарной ячейке), b-Mn (кубическая объёмноцентрированная с 20 атомами в ячейке), g-Mn (тетрагональная с 4 атомами в ячейке) и d-Mn (кубическая объёмноцентрированная). Температура превращений:

a b 705⁰ С; b g 1090⁰ С; g d1133⁰ С

a-модификация хрупка; g (и отчасти b) пластична, что имеет важное значение при создании сплавов.

Атомный радиус М. 1,30 Å. Ионные радиусы (в Å): Mn²⁺ 0,91, Mn⁴⁺ 0,52, Mn⁷⁺ 0,46. Прочие физические свойства a-Mn: удельная теплоёмкость(при 25 °С) 0,478 кдж/(кг·К) [то есть 0,114 кал/ (г·°С)]; температурный коэффициент линейного расширения (при 20 °С) 22,3Ч10^-6 град ^-1 теплопроводность (при 25 °С) 66,57 вт/(мЧК) [то есть 0,159 кал/(см·сек °С)]; удельное объёмное электрическое сопротивление 1,5-2,6 мком·м (то есть 150-260 мком·см); температурный коэффициент электрического сопротивления (2-3)Ч10^-4 град ^-1М. парамагнитен.

Химически М. достаточно активен, при нагревании энергично взаимодействует с неметаллами - кислородом (образуется смесь окислов М. разной валентности), азотом (Mn₄N, Mn₂N₁, Mn₃N₂), серой (MnS, MnS₂), углеродом (Mn₃C, Mn₂₃C₆, Mn₇C₃, Mn₅C₆), фосфором (Mn₂P, MnP) и др. При комнатной температуре М. на воздухе не изменяется; очень медленно реагирует с водой. В кислотах (соляной, разбавленной серной) легко растворяется, образуя соли двухвалентного М. При нагревании в вакууме М. легко испаряется даже из сплавов.

М. образует сплавы со многими химическими элементами; большинство металлов растворяется в отдельных его модификациях и стабилизирует их. Так, Cu, Fe, Со, Ni и другие стабилизируют g-модификацию. Al, Ag и другие расширяют области b- и s-Mn в двойных сплавах. Это имеет важное значение для получения сплавов на основе М., поддающихся пластической деформации (ковке, прокатке, штамповке).

В соединениях М. обычно проявляет валентность от 2 до 7 (наиболее устойчивы степени окисления +2, +4 и +7). С увеличением степени окисления возрастают окислительные и кислотные свойства соединений М.

Соединения Mn(+2) - восстановители. Окись MnO - порошок серо-зелёного цвета; обладает основными свойствами, нерастворима в воде и щелочах, хорошо растворима в кислотах. Гидроокись Mn(OH)₂ - белое вещество, нерастворимое в воде. Соединения Mn(+4) могут выступать и как окислители (а) и как восстановители (б):

MnO₂+4HCl = MnCl₂ + Cl₂ + 2H₂O (a)

(по этой реакции в лабораториях получают хлор)

MnO₂ + KClO₃ + 6KOH = ЗК₂МnO₄ + KCl + ЗН₂О (б)

(реакция идёт при сплавлении).

Двуокись MnO₂ - черно-бурого цвета, соответствующая гидроокись Mn(OH)₄ - темно-бурого цвета. Оба соединения в воде нерастворимы, оба амфотерны с небольшим преобладанием кислотной функции. Соли типа K₄MnO₄ называются манганитами.

Из соединений Mn(+6) наиболее характерны марганцовистая кислота и её соли манганаты. Весьма важны соединения Mn(+7) - марганцовая кислота, марганцовый ангидрид и перманганаты.

Получение. Наиболее чистый М. получают в промышленности по способу советского электрохимика Р. И. Агладзе (1939) электролизом водных растворов MnSO₄ с добавкой (NH₄)₂SO₄ при pH = 8,0-8,5. Процесс ведут с анодами из свинца и катодами из титанового сплава АТ-3 или нержавеющей стали. Чешуйки М. снимают с катодов и, если необходимо, переплавляют. Галогенным процессом, например хлорированием руды Mn, и восстановлением галогенидов получают М. с суммой примесей около 0,1 %. Менее чистый М. получают алюминотермией по реакции:

3Мn₃O₄ + 8Al = 9Mn + 4Al₂O₃,

а также электротермией.

Применение. Основной потребитель М. - чёрная металлургия, расходующая в среднем около 8-9 кг М. на 1 т выплавляемой стали. Для введения М. в сталь применяют чаще всего его сплавы с железом - ферромарганец (70-80 % М., 0,5-7,0 % углерода, остальное железо и примеси). Выплавляют его в доменных и электрических печах (см. Ферросплавы). Высокоуглеродистый ферромарганец служит для раскисления и десульфурации стали; средне- и малоуглеродистый - для легирования стали. Малолегированная конструкционная и рельсовая сталь содержит 0,9-1,6 % Mn; высоколегированная, очень износоустойчивая сталь с 15 % Mn и 1,25 % C (изобретена английским металлургом Р. Гейрилдом в 1883) была одной из первых легированных сталей. В СССР производится безникелевая нержавеющая сталь, содержащая 14 % Cr и 15 % Mn.

М. используется также в сплавах на нежелезной основе (см., например, Манганин). Сплавы меди с М. применяют для изготовления турбинных лопаток; марганцовые бронзы - при производстве пропеллеров и других деталей, где необходимо сочетание прочности и коррозионной устойчивости. Почти все промышленные алюминиевые сплавы и магниевые сплавы содержат М. Разработаны деформируемые сплавы на основе М., легированные медью, никелем и другими элементами. Гальваническое покрытие М. применяется для защиты металлических изделий от коррозии.

Соединения М. применяют и при изготовлении гальванических элементов; в производстве стекла и в керамической промышленности; в красильной и полиграфической промышленности, в сельском хозяйстве и т. д.

Ф. Н. Тавадзе

Марганец в организме. М. широко распространён в природе, являясь постоянной составной частью растительных и животных организмов. Содержание М. в растениях составляет десятитысячные - сотые, а в животных - стотысячные - тысячные доли процента. Беспозвоночные животные богаче М., чем позвоночные. Среди растений значительное количество М. накапливают некоторые ржавчинные грибы, водяной орех, ряска, бактерии родов Leptothrix, Crenothrix и некоторые диатомовые водоросли (Cocconeis) (до нескольких процентов в золе), среди животных - рыжие муравьи, некоторые моллюски и ракообразные (до сотых долей процента). М. - активатор ряда ферментов, участвует в процессах дыхания, фотосинтезе, биосинтезе нуклеиновых кислот и др., усиливает действие инсулина и других гормонов, влияет на кроветворение и минеральный обмен. Недостаток М. у растений вызывает некрозы, хлороз яблони и цитрусовых, пятнистость злаков, ожоги у картофеля, ячменя и т. п. М. обнаружен во всех органах и тканях человека (наиболее богаты им печень, скелет и щитовидная железа). Суточная потребность животных и человека в М. - несколько мг (ежедневно с пищей человек получает 3-8 мг М.). Потребность в М. повышается при физической нагрузке, при недостатке солнечного света; дети нуждаются в большем количестве М., чем взрослые. Показано, что недостаток М. в пище животных отрицательно влияет на их рост и развитие, вызывает анемию, так называемую лактационную тетанию, нарушение минерального обмена костной ткани. Для предотвращения указанных заболеваний в корм вводят соли М.

Г. Я. Жизневская

В медицине некоторые соли М. (например, KMnO₄) применяют как дезинфицирующие средства . Соединения М., применяемые во многих отраслях промышленности, могут оказывать токсическое действие на организм. Поступая в организм главным образом через дыхательные пути, М. накапливается в паренхиматозных органах (печень, селезёнка), костях и мышцах и выводится медленно, в течение многих лет. Предельно допустимая концентрация соединений М. в воздухе - 0,3 мг/м³. При выраженных отравлениях наблюдается поражение нервной системы с характерным синдромом марганцевого паркинсонизма.

Лечение: витаминотерапия, холинолитические средства и др. Профилактика: соблюдение правил гигиены труда.

Лит.: Салли А. Х., Марганец, перевод с английского, М., 1959; Производство ферросплавов, 2 изд., М., 1957; Пирсон А., Марганец и его роль в фотосинтезе, в сборнике: Микроэлементы, перевод с английского, М., 1962.

Природные минеральные образования, содержание марганца в которых достаточно для экономически выгодного извлечения этого металла или его соединений. Важнейшие рудообразующие минералы: пиролюзит MnO₂ (63,2 % Mn), псиломелан mMnOЧMnO₂ЧnH₂O (45-60 % Mn), манганит MnOЧMn(OH)₂ (62,5 % Mn), вернадит MnO₂ЧH₂O (44-52 % Mn), браунит Mn₂O₃ (69,5 % Mn), гаусманит Mn₃O₄ (72 % Mn), родохрозит MnCO₃ (47,8 % Mn), олигонит (Mn, Fe)CO₃ (23-32 % Mn), манганокальцит (Ca, Mn)CO₃ (до 20-25 % Mn), родонит (Mn, Ca)(Si₃O₉) (32-41 % Mn), бустамит (Ca, Mn)(Si₃O₉) (12-20 % Mn). В М. р. почти всегда присутствуют минералы железа. По генезису наибольшее значение имеют осадочные месторождения, представленные пластовыми и линзообразными залежами, сформировавшимися в древних морских или озёрных бассейнах (Никопольское, Чиатурское и Полуночное в СССР; месторождения Марокко). Эти руды имеют наибольшее промышленное значение; среди них различают следующие главные типы: а) окисные псило-мелано-пиролюзитовые и манганитовые руды, образующиеся на небольшой глубине, в зоне максимального насыщения вод растворённым кислородом; содержание Mn по отдельным месторождениям 19-36 %; б) карбонатные, преимущественно родохрозитовые, олигонитовые, мангано-кальцитовые руды, формирующиеся на больших глубинах, в условиях недостатка кислорода в сопровождении сероводородного брожения; содержание Mn от 16 до 25 %, отличаются от окисных руд повышенным содержанием фосфора. Метаморфические месторождения образуются за счёт изменения осадочных месторождений в недрах Земли под действием высоких температур и давлений (Усинское в Западной Сибири, месторождения Атасуйского района в Центральном Казахстане); обычно представлены плотными разновидностями руд, в составе которых принимают участие безводные окислы (браунит, гаусманит) и силикаты марганца (родонит и другие); среди них развиты железо-марганцевые руды с содержанием Mn около 10 %, включающие промышленные концентрации минералов Fe (магнетита, гематита и других). Месторождения выветривания представлены мощными древними и современными корами выветривания с вторичной концентрацией в них марганца (месторождения Индии, Бразилии, Ганы, ЮАР); это рыхлые окисленные руды так называемых марганцевых шляп, сложенные пиролюзитом, псило-меланом и другими гидроокислами марганца и железа.

На дне современных океанов находятся скопления железо-марганцевых конкреций, составляющие крупные ресурсы М. р.

О распространении, добыче, обогащении и применении М. р. см. статьи Марганец; Марганцоворудная промышленность.

Лит.: Оценка месторождений при поисках и разведках, в. 14 - Авалиани Г. А., Марганец, М. - Л., 1953; Быховер Н. А., Экономика минерального сырья, М., 1971.

От имени П. Мартена.

Пламенная регенеративная печь для переработки чугуна и стального лома в сталь заданного химического состава и качества.

М. п. состоит из следующих основных частей (см. рис. 1) : рабочего пространства (под, передняя и задняя стенки, свод), где осуществляется плавка; головок (правой и левой), состоящих из собственно головок и вертикальных каналов для подачи топлива и воздуха в рабочее пространство и отвода из него продуктов сгорания; шлаковиков (воздушных и газовых) - для осаждения и накопления пыли и частиц шлака, выпадающих из проходящих через них продуктов сгорания; регенераторов (воздушных и газовых) - для подогрева поступающих в печь газа и воздуха теплом выходящих из рабочего пространства продуктов сгорания; боровов (каналов) для воздуха, газа и продуктов сгорания; системы перекидных клапанов, предназначенных для изменения направления подачи в печь топлива и воздуха и отвода из рабочего пространства продуктов сгорания; котла-утилизатора; дымовой трубы. Рабочее пространство и головки печи расположены выше рабочей площадки цеха и условно называются верхним строением печи. Остальные части находятся под рабочей площадкой и называются нижним строением. М. п. - агрегат симметричный: правая и левая её стороны относительно вертикальной оси одинаковы по устройству. Топливо и воздух для горения поступают в рабочее пространство поочерёдно то с правой, то с левой стороны; продукты сгорания отводятся из рабочего пространства соответственно с противоположной стороны. Изменение направления подачи топлива и воздуха, то есть изменение направления факела в рабочем пространстве, осуществляется системой клапанов и шиберов и называется «перекидкой» клапанов. Продукты сгорания поступают из шлаковика в регенератор сверху при температуре 1500- 1600 °C и, проходя по насадке (огнеупорная кладка регенераторов), передают ей значительную часть содержащегося в них тепла. При последующем прохождении через нагретую насадку холодного воздуха или газа они нагреваются до 1100- 1200 °С.

Рис. 1 Устройство мартеновской печи: 1 - рабочее пространство; 2 - свод; 3 - подина; 4 - сталевыпускное отверстие; 5 - отверстие для спуска шлака; 6 - завалочные окна; 7 - передняя стенка; 8 - задняя стенка; 9 - головки; 10 - вертикальные каналы; 11 - шлаковик; 12 - регенераторы: 13 - насадка регенераторов; 14 - борова; 15 - рабочая площадка

Все элементы М. п. выкладывают из огнеупорных материалов (см. Огнеупоры). В зависимости от характера огнеупорных материалов, из которых выложено рабочее пространство, М. п. делятся на основные и кислые. Для кладки основной М. п. применяют магнезитовый, магнезито-хромитовый, хромомагнезитовый кирпичи, магнезитовый порошок (для наварки пода), для кладки кислой М. п. - динасовый кирпич и кварцевый песок. В нижнем строении печи используются форстеритовый, высокоглинозёмистый, магнезитовый и шамотный кирпичи. Для придания строительной прочности всей конструкции печи кладка крепится металлической арматурой. Узлы и детали М. п., работающие в условиях высоких температур, постоянно охлаждаются.

М. п. бывают двух типов - стационарные и качающиеся. Большинство М. п. стационарные. Качающиеся М. п. обычно применяются для переработки фосфористых чугунов, так как при этом требуется несколько раз «скачивать» богатый фосфором шлак, что легче осуществлять на качающихся печах. М. п. могут отапливаться жидким (мазутом) или газообразным (природный, смешанный, генераторный газ) топливом. Смешанный газ (коксовый и доменный) и генераторный газ, обладающие недостаточной теплотой сгорания, перед поступлением в рабочее пространство подогреваются в регенераторах примерно до 1150 °С. Природный газ и мазут используются без подогрева. Кислород, служащий для интенсификации горения топлива, вводится через фурмы, помещенные в головках печи, а подаваемый для продувки ванны - через фурмы, опускаемые в отверстия в своде. Некоторое количество топлива может поступать вместе с кислородом в рабочее пространство печи с помощью топливо-кислородных горелок, также опускаемых через свод. Печи, отапливаемые низкокалорийными видами газообразного топлива, имеют две пары шлаковиков и две пары регенераторов (для подогрева газа и подогрева воздуха), располагаемых попарно соответственно под каждой головкой печи; отапливаемые мазутом или природным газом имеют под каждой головкой по одному шлаковику и одному регенератору - только для подогрева воздуха. Несмотря на наличие регенераторов, отходящие газы перед дымовой трубой имеют температуру 400-800 °С. Для утилизации этого тепла за М. п. устанавливают котлы-утилизаторы. Печи оборудованы контрольно-измерительной аппаратурой, позволяющей не только контролировать их работу, но и автоматически поддерживать заданный тепловой режим в различные периоды плавки.

Использование кислорода для интенсификации работы М. п. приводит к постепенному уменьшению роли регенераторов. В связи с этим в 60-х годах 20 века на ряде металлургических заводов были пущены в эксплуатацию так называемые двухванные печи, вообще не имеющие регенераторов.

Основные показатели, характеризующие работу М. п., - её производительность (годовая, часовая и съём стали с 1 м² площади пода в сутки) и расход топлива. Годовая производительность наиболее полно характеризует работу печи, так как позволяет учесть все простои - горячие (без прекращения подачи топлива) и холодные (с отключением топлива) и объективно сравнивать работу однотипных печей. Производительность крупных М. п. превышает 0,5 млн. т стали в год. Съём стали с 1 м² площади пода позволяет сравнивать работу печей разной ёмкости в различных условиях. Обычно съём стали составляет 12-13 т/м². В СССР достигнуты наиболее высокие в мире технико-экономические показатели работы М. п.

Лит. см. при статье Мартеновское производство.

И. Б. Поляк

Производство в мартеновских печах металлургических или машиностроительных заводов литой стали заданного химического состава. Сталь получается путём окислительной плавки загруженных в печь железосодержащих материалов - чугуна, стального лома, железной руды и флюсов в результате сложных физико-химических процессов взаимодействия между металлом, шлаком и газовой средой печи. М. п. наряду с другими видами производства стали (см. Кислородно-конвертерный процесс, Электросталеплавильное производство) - второе звено в общем производственном цикле чёрной металлургии; два других основных звена - выплавка чугуна в доменных печах и прокатка стальных слитков или заготовок.

Благодаря преимуществам, которыми мартеновский процесс отличался от других способов массового получения стали (большая гибкость и возможность применять его при любых масштабах производства; менее строгие требования к исходным материалам; относительная простота контроля и управления ходом плавки; высокое качество и широкий ассортимент выплавляемой стали; сравнительно небольшая стоимость передела), в конце 19 века и 1-й половины 20 века он был основным сталеплавильным процессом (в 1940-55 этим способом изготовлялось около 80 % производимой в мире стали). Однако в связи с бурным развитием в 60-х годах 20 века кислородно-конвертерного производства строительство мартеновских цехов практически прекратилось; относительная доля мартеновской стали непрерывно уменьшается. В 1970 в мартеновских печах выплавлено в мире ~240 млн. т стали (~40 %), в СССР - 84 млн. т (~72 %). М. п. - основной потребитель стального лома (около 50 %).

Историческая справка. Идеи организации передела железного лома и чугуна в сталь на поду пламенной печи высказывались неоднократно. Наибольший вклад в создание М.п. принадлежит Ф. Сименсу (Германия), предложившему в 1856 использовать принцип регенерации тепла отходящих газов для повышения температуры в рабочем пространстве плавильных печей, и П. Мартену (Франция), которому в 1864 удалось построить и ввести в эксплуатацию первую регенеративную отражательную печь для плавки литой стали. В России первая мартеновская печь ёмкостью 2,5 т была пущена А. А. Износковым на Сормовском заводе (ныне завод «Красное Сормово» в Горьком) в 1870. Вначале мартеновские печи имели кислый под. Широкое распространение М. п. получило после создания печей с основным подом (в 1879-1880 во Франции на заводах Крёзо и Тернуар, в 1881 в России на Александровском заводе в Петербурге). В 1894 русские металлурги братья А. М. и Ю. М. Горяиновы разработали технологию мартеновской плавки на жидком чугуне и успешно применили её на Александровском заводе в Екатеринославе (ныне завод имени Петровского в Днепропетровске). Во Франции, России и других странах процесс получил название «мартеновского», в Германии - «сименс-мартеновского», в США - «Open hearth process» (то есть процесс на открытом поду).

Для развития М. п. характерны 3 периода: в первом (до начала 20 века) плавку вели в печах небольшой ёмкости (до 70 т), которые отапливались генераторным газом, тяга была естественной (дымовая труба); второй период (1-я половина 20 века) характеризуется переходом на коксодоменный газ, принудительной подачей воздуха (вентиляторы), автоматизацией теплового режима печи, установкой котлов-утилизаторов, строительством печей ёмкостью 185-250 т, затем 370-500 т; для начавшегося в 50-х годах 20 века третьего периода характерны интенсификация процесса кислородом, переход на топливо с высокой теплотой сгорания (главным образом природный газ), строительство новых цехов с агрегатами ёмкостью 600-900 т, создание печей нового типа. Наибольших масштабов М. п. достигло в СССР и США. В СССР работают (1974) крупнейшие в мире печи ёмкостью 900 т. Существенный вклад в развитие теории и практики М. п. внесли советские учёные-металлурги В. Е. Грум-Гржимайло, А. А. Байков, М. А. Павлов, М. М. Карнаухов, Н. Н. Доброхотов, В. И. Тыжнов, К. Г. Трубин и другие.

Мартеновский процесс. Шихта мартеновских печей подразделяется на металлическую часть (чугун, стальной лом, раскислители и легирующие добавки) и неметаллическую (железная руда, мартеновский агломерат, известняк, известь, боксит, плавиковый шпат). Чугун, применяемый либо в жидком состоянии, либо в виде чушек, служит основным источником углерода, обеспечивающим нормальное протекание мартеновского процесса. Количество чугуна и стального лома в шихте может колебаться в любых соотношениях в зависимости от разновидности процесса, экономических условий, выплавляемых марок сталей. В качестве раскислителей и легирующих добавок, в М. п. используют ферросплавы и некоторые чистые металлы (алюминий, никель). Железная руда и мартеновский агломерат применяются в М. п. в качестве окислителей, а также в качестве флюса, способствующего ускоренному формированию активного шлака. В роли окислителя может использоваться также окалина. Известняк, известь, боксит, плавиковый шпат в мартеновском процессе служат для формирования шлака необходимого состава и консистенции, обеспечивающего протекание окислительных реакций, удаление вредных примесей и нагрев металла.

В мартеновском процессе (в отличие от конвертерных) тепла, выделяющегося в результате химических реакций окисления примесей металлической ванны, недостаточно для проведения плавки. Поэтому в печь дополнительно подаётся тепло, получаемое в результате сжигания топлива в рабочем пространстве. Топливом служат природный газ, мазут, коксовый и доменный газы. Для обеспечения полного сгорания топлива воздух на горение подаётся в количестве, несколько большем теоретически необходимого. Это создаёт избыток кислорода в продуктах сгорания, в которых присутствуют также газообразные окислы CO₂ и H₂O, частично диссоциирующие при высокой температуре. В результате происходит окисление железа и других элементов, содержащихся в шихте (для интенсификации горения топлива часть подаваемого в печь воздуха может заменяться кислородом; газообразный кислород подаётся также в ванну для интенсификации окислительных процессов). FeO, Fe₂O₃, CaO, SiO₂, MnO, P₂O₅ и другие окислы вместе с постепенно разрушающимися огнеупорами кладки, флюсами и примесями, вносимыми шихтой, образуют шлак, покрывающий металл во все последующие периоды плавки. Шлак играет важную роль: связывает все примеси, которые надо удалить из шихты; передаёт кислород из атмосферы печи к жидкому металлу; передаёт тепло от факела к металлу; защищает металл от насыщения газами, содержащимися в атмосфере печи, и от чрезмерного окисления железа. В различные периоды плавки шлак должен иметь нужный химический состав, необходимую жидкоподвижность и находиться в печи в определённом количестве.

В мартеновской плавке различаются обычно следующие периоды: заправка печи, завалка и прогрев шихты, заливка жидкого или завалка твёрдого чугуна, плавление, кипение, раскисление и легирование, выпуск. Заправка печи преследует цель поддержания в рабочем состоянии всех элементов кладки плавильного пространства. Для этого в момент выпуска плавки на подину и стенки по мере их освобождения от шлака заправочной машиной забрасывают огнеупорные материалы (дроблёный обожжённый доломит, магнезитовый порошок и другие). После выпуска из печи металла и шлака подину тщательно осматривают и, если нужно, исправляют замеченные неровности (бугры, ямы). Завалка шихты осуществляется завалочной машиной. Все твёрдые шихтовые материалы подаются к печи в спец. коробах - мульдах (ёмкостью до 3,3 м³). Продолжительность завалки в зависимости от ёмкости печи колеблется от 1 до 3 ч. Для дополнительного подогрева всего стального лома перед заливкой в печь чугуна производятся прогрев шихты, продолжительность которого может достигать 1,5 ч. Заливка чугуна длится 20-60 мин. Период плавления начинается сразу после окончания заливки чугуна и продолжается 1-5 ч. В печь в этот период подаётся максимальное количество топлива, ванна продувается кислородом. В процессе заливки чугуна и в первый момент плавления происходит интенсивное образование шлака, поскольку весь кремний и часть марганца, содержащиеся в чугуне, окисляются (в шлак частично переходят и окислы железа). Толстый слой образовавшегося шлака затрудняет передачу тепла от факела к металлу. В связи с этим в первой половине плавления удаляют из печи (путём спуска в шлаковые чаши) некоторое количество шлака. В период плавления обеспечивается удаление из металла также основной массы фосфора. Химический состав металлической ванны в момент полного расплавления заметно отличается от состава, который сталь должна иметь перед выпуском плавки; температура металла относительно невысока. Поэтому главное назначение следующих периодов плавки, называемых доводкой, состоит в том, чтобы обеспечить необходимый нагрев металла, доведение его до заданного химического состава. В связи с этим период кипения - наиболее ответственный период мартеновской плавки. Главной реакцией этого периода является реакция окисления растворённого в жидком металле углерода. Образующиеся в результате этой реакции пузырьки окиси углерода вырываются на поверхность металла, пробивают слой шлака и, выходя на его поверхность, создают впечатление кипения ванны. Скорость окисления углерода в этот период можно регулировать либо добавками железной руды и других флюсов, либо продувкой ванны кислородом и сжатым воздухом. Состав шлака, обеспечивающий оптимальный нагрев металла и удаление из него нежелательных примесей (в частности серы), регулируется добавками извести, руды и других флюсующих материалов. Выделяющиеся пузырьки окиси углерода играют важную роль в мартеновском процессе. Перемешивая нижние слои металла (менее нагретые) с верхними (более нагретыми), они ускоряют процесс нагрева всего объёма металла. Кроме того, они захватывают по пути вверх некоторое количество других газов и неметаллических частиц, присутствие которых в готовой стали ухудшает её качество. Период кипения иногда условно разделяют на 2 части - период рудного кипения, когда в печь вводят добавки руды (кислород), извести, флюсов, и период чистого кипения, когда окисление растворенного в металле углерода продолжается без каких-либо добавок, за счёт растворённого в шлаке и металле кислорода. В период чистого кипения происходит окончательное доведение металла до требуемых температуры и химического состава. Продолжительность чистого кипения строго регламентируется в зависимости от выплавляемой марки стали. Начиная с момента полного расплавления ванны и до конца периода кипения осуществляется контроль состава металла и шлака, а также контроль температуры металла. Общая продолжительность периода кипения 1-2,5 ч. Раскисление и легирование - завершающий период плавки, основное назначение которого состоит в снижении содержания кислорода в металле и доведении состава металла до заданного по содержанию всех элементов, включая легирующие. Раскисляющие и легирующие добавки в зависимости от выплавляемой марки стали вводят или в печь, или в сталеплавильный ковш во время выпуска металла. Для выпуска металла из печи со стороны задней стенки пробивают или прожигают струей газообразного кислорода сталевыпускное отверстие; металл по жёлобу стекает в установленный под ним сталеразливочный ковш (на больших печах плавку выпускают в 2 или 3 ковша). Общая продолжительность выпуска до 20 мин. После выпуска плавки и необходимого осмотра отверстие вновь заделывают огнеупорными материалами. Из ковша металл разливают в изложницы или на установках непрерывной разливки стали. Для повышения качества мартеновской стали определённое распространение получил разработанный в СССР метод обработки металла в ковше (при выпуске из печи) синтетическими шлаками, приготовленными в специальном плавильном агрегате.

Разновидности мартеновского процесса. В зависимости от состава огнеупорных материалов, из которых изготовлена подина печи, мартеновский процесс бывает двух типов: основной (в составе огнеупоров подины преобладают основные окислы - CaO, MgO) и кислый (подина состоит из SiO₂). Шлак основного процесса состоит преимущественно из основных окислов, а кислого - из кислых. В зависимости от состава шихты (точнее, от соотношения чугуна и лома в шихте) мартеновский процесс подразделяют на несколько технологических вариантов. При карбюраторном (скрап-угольном) процессе металлическая часть шихты состоит практически только из стального лома (скрапа), а требующееся количество углерода вводится в шихту углеродсодержащими материалами (карбюраторами): антрацитом, коксом, графитом, каменным углём и т. п. Карбюраторный процесс получил очень небольшое распространение. Скрап-процесс характеризуется тем, что шихта состоит в основном из скрапа. Расход чугуна при этом зависит от необходимого для проведения периода кипения содержания углерода в расплавленном металле и колеблется от 20 до 45 %. Скрап-процесс обычно применяется на заводах, не имеющих доменных печей, а также в мартеновских цехах машиностроительных заводов. Наиболее широко распространён скрап-рудный процесс, получивший своё название от того, что твёрдая часть шихты состоит в основном из скрапа и руды; для процесса характерно повышенное количество чугуна (50-80 % от массы металлической части шихты), заливаемого в печь в жидком виде. Скрап-рудный процесс применяется в мартеновских цехах заводов, имеющих доменные печи. В связи с повышенным содержанием чугуна в шихте в ванну вносится много примесей (углерод, марганец, кремний, фосфор, сера), на окисление которых требуется повышенное количество кислорода (газообразного и в виде окислов руды). Рудный процесс получил своё название от того, что твёрдая часть шихты состоит в основном из железной руды; металлическая часть шихты состоит только из жидкого чугуна. Широкого применения рудный процесс не получил.

Более 95 % мартеновской стали выплавляется основным процессом (скрап-процессом и скрап-рудным). Кислый мартеновский процесс значительно меньше распространён, чем основной, в связи с тем, что при нём затруднено удаление из металла серы и фосфора и поэтому требуются более чистые (и, следовательно, более дорогие) шихтовые материалы; плавка при кислом процессе длится дольше, чем при основном. Однако особенности взаимодействия металла с кислой футеровкой подины печи и с кислым шлаком, газопроницаемость которого меньше, чем основного, а также использование чистых шихтовых материалов позволяют получать при кислом процессе сталь высокого качества, чистую от вредных примесей и характеризующуюся очень малой анизотропностью свойств вдоль и поперёк направления последующей обработки давлением. В связи с этим кислая мартеновская сталь широко используется для производства роторов турбин, крупных коленчатых валов, стволов артиллерийских орудий и других изделий, которые должны иметь высокую механическую прочность вдоль и поперёк волокна.

Мартеновский цех. По способу подачи шихтовых материалов различают цехи с рельсовой подачей шихты и цехи с крановой подачей шихты. Основная масса мартеновской стали производится в цехах с рельсовой подачей шихты. В состав современного мартеновского цеха входят следующие отделения: шихтовый двор, миксерное отделение, гл. здание, отделение раздевания слитков, отделение подготовки изложниц. Шихтовый двор служит для приёмки и хранения поступающих в мартеновский цех твёрдых шихтовых и заправочных материалов. Для разгрузки и погрузки материалов на шихтовых дворах установлены мостовые магнитные и грейферные краны. К печам шихта передаётся в мульдах, устанавливаемых на железнодорожных тележках. В миксерном отделении, которое, как правило, примыкает с торца к главному зданию мартеновского цеха, устанавливаются один или двамиксера, предназначенных для хранения жидкого чугуна, поступающего из доменного цеха. К мартеновским печам чугун из миксера подаётся по железнодорожному пути в чугуновозных ковшах. На заводах, где нет миксерного отделения, чугун из доменного цеха поступает к мартеновским печам в ковшах миксерного типа. Главное здание цеха (см. рис.) состоит из шихтового открылка, печного и разливочного пролётов. Шихтовый открылок, расположенный на уровне пола рабочей площадки печей, примыкает к печному пролёту и служит для подачи шихтовых материалов к печам. В печном пролёте размещаются мартеновские печи и пульты управления ими. Печи располагаются в одну линию вдоль центральных колонн главного здания; со стороны шихтового открылка размещаются пульты управления. Рабочая площадка печного пролёта устраивается на уровне 6-7 м от заводского пола. На рабочей площадке обычно проложены 3 железнодорожных пути: для подачи к печам мульдовых составов с шихтой, для передвижения напольной завалочной машины, для подачи к печам чугуновозных ковшей с жидким чугуном из миксерного отделения. Для заливки чугуна в печи в пролёте имеются мостовые заливочные краны. Разливочный пролёт примыкает непосредственно к печному. Его главное назначение - приёмка стали из печей, разливка её по изложницам или на установках непрерывной разливки и уборка технологического шлака. С одной стороны разливочного пролёта располагаются мартеновские печи, с другой - вдоль стен находятся разливочные площадки (в случае разливки стали по изложницам). Обычно в разливочном пролёте проложено несколько железнодорожных путей: для составов с изложницами, для обслуживания операций по уборке шлака и мусора и т. п. В разливочном пролёте имеются также стенды для сталеразливочных ковшей, стенды для шлаковых чаш, сушилки для стопоров, ямы для ремонта ковшей. В пролёте установлены мостовые разливочные краны (для разливки стали) и консольно-поворотные краны (для обслуживания разливки и сталевыпускных желобов). Отделение раздевания слитков (так называемое стрипперное отделение) располагается, как правило, в самостоятельном здании около отделения нагревательных колодцев блюминга или слябинга. Здесь слитки извлекаются из изложниц. Отделение подготовки изложниц (двор изложниц) предназначено для сборки составов с изложницами под разливку стали; обычно располагается недалеко от разливочного пролёта. В отделении подготовки изложниц проложено несколько железнодорожных путей, имеются участки подготовки новых прибыльных надставок, сушила для их сушки, горелки для подогрева изложниц, стеллажи для наборки центровых и печи для их сушки. В отделении установлено несколько мостовых кранов.

Рис. 1 Мартеновский цех (поперечный разрез): 1 - шихтовый открылок; 2 - железнодорожный состав с мульдами; 3 - печной пролёт; 4 - напольная завалочная машина; 5 - чугуновозный ковш; 6 - мостовой заливочный кран; 7 - разливочный пролёт; 8 - мостовой разливочный кран; 9 - сталеразливочный ковш; 10 - разливочная площадка; 11 - изложницы на железнодорожных тележках; 12 - шлаковые ковши

Производительность современных мартеновских цехов металлургических заводов 250-3000 тыс. т. слитков в год.

Лит.: Грум-Гржимайло В. Е., Пламенные печи, 2 изд., ч. 1-5, Л. - М., 1932; его же, Производство стали, 3 изд., М. - Л., 1933; Павлов М. А., Определение размеров доменных и мартеновских печей, 2 изд., М. - Л., 1932; Карнаухов М. М., Металлургия стали, 2 изд., ч. 2 - 3, Л. - М. - Свердловск, 1934; Бюэлл В., Мартеновская печь. Проектирование, сооружение, эксплуатация, перевод с английского, 2 изд., М., 1945; Производство стали в основной мартеновской печи, перевод с английского, 2 изд., М., 1959; Морозов А. Н., Современный мартеновский процесс, Свердловск, 1961; Металлургия стали. Мартеновский процесс. Конструкции и оборудование мартеновских печей и цехов, М., 1961; Явойский В. И., Теория процессов производства стали, 2 изд., М., 1967; Трубин К. Г., Ойкс Г. Н., Металлургия стали. Мартеновский процесс, 4 изд., М., 1970; Веселков Н. Г., Модернизация мартеновских печей, М., 1970; Металлургия стали, под редакцией В. И. Явойского и Г. Н. Ойкса, М., 1973.

И. Б. Поляк

Структура кристаллических твёрдых тел, возникающая в результате сдвигового бездиффузионного полиморфного превращения при охлаждении (см. Мартенситное превращение). Назван по имени немецкого металловеда А. Мартенса (A. Martens; 1850-1914). В результате деформации решётки при этом превращении (так называемого кооперативного сдвига) на поверхности металла появляется рельеф; в объёме же возникают внутренние напряжения и происходит пластическая деформация, которые и ограничивают рост кристалла. Скорость роста достигает 10³ м/сек и не зависит от температуры, поэтому скорость образования М. обычно лимитирует зарождение кристаллов. Противодействие внутренних напряжений смещает зарождение кристаллов много ниже точки термодинамического равновесия фаз и может остановить превращение при постоянной температуре; в связи с этим количество возникшего М. обычно растет с увеличением переохлаждения. Поскольку упругая энергия должна быть минимальной, кристаллы М. принимают форму пластин (на шлифе - иголок), правильно ориентированных относительно исходной решётки. Внутренние напряжения снимаются также пластической деформацией, поэтому кристалл содержит много дислокаций (до 10¹² см^-2) либо разбит на двойники толщиной 10-100 нм (100-1000 ). Внутризёренные границы и дислокации упрочняют мартенсит. М. - типичный продукт низкотемпературных полиморфных превращений в чистых металлах (Fe, Со, Ti, Zr, Li и др.), в твёрдых растворах на их основе, в интерметаллидах (например, CuZn, Cu₃Al, NiTi, V₃Si, AuCd).

М. в стали - пересыщенный раствор Fe-C, получающийся при закалке из аустенита. Упорядоченное размещение атомов углерода (в результате мартенситного сдвига) превращает объёмноцентрированную решётку a-железа из кубической в тетрагональную. Её искажения около внедрённых атомов вызывают упрочнение. Тетрагональность и упрочнение растут с концентрацией углерода (твёрдость - до 1000 HV). Углеродистый М. - основная структурная составляющая большинства высокопрочных сталей. Концентрация углерода в твёрдом растворе и субзёренная структура М. изменяются при отпуске, используемом для повышения пластичности стали. Углерод - важнейший фактор прочности М. в стали; прочность безуглеродистой мартенситно-стареющей стали обусловлена выделениями интерметаллидов при старении (см. Старение металлов). Физическая природа М. Fe-С как раствора внедрения, происхождение его высокой прочности, сущность механизма и закономерности кинетики образования М. установлены Г. В. Курдюмовым.

Лит. см. при статье Мартенситное превращение.

М. А. Штремель

Полиморфное превращение (см. Полиморфизм), при котором изменение взаимного расположения составляющих кристалл атомов (или молекул) происходит путём их упорядоченного перемещения, причём относительные смещения соседних атомов малы по сравнению с междуатомным расстоянием. Перестройка кристаллической решётки в микрообластях обычно сводится к деформации её ячейки, и конечная фаза М. п. может рассматриваться как однородно деформированная исходная фаза. Величина деформации мала (~1-10 %) и соответственно мал, по сравнению с энергией связи в кристалле, энергетический барьер, препятствующий однородному переходу исходной фазы в конечную. Необходимое условие М. п., которое развивается путём образования и роста областей более стабильной фазы в метастабильной, - сохранение упорядоченного контакта между фазами. Упорядоченное строение межфазных границ при малости барьера для однородного фазового перехода обеспечивает их малую энергию и высокую подвижность. Как следствие, избыточная энергия, необходимая для зарождения кристаллов новой фазы (мартенситных кристаллов), мала и при некотором отклонении от равновесия фаз становится сопоставимой с энергией дефектов, присутствующих в исходной фазе. Поэтому зарождение мартенситных кристаллов происходит с большой скоростью и может не требовать тепловых флюктуаций. Вследствие воздействия образовавшейся фазы на исходную фазу энергетический барьер для перемещения границы фаз существенно меньше, чем для однородного перехода; при небольших отклонениях от равновесия он исчезает - кристалл растет со скоростью порядка звуковой и без тепловой активации (превращение возможно при температурах, близких к абсолютному нулю).

Существенную роль при М. п. играют внутренние напряжения, возникающие из-за упругого приспособления кристаллических решёток, сопрягающихся по границам фаз. Поля упругих напряжений приводят к смещению точки равновесия взаимодействующих фаз относительно положения истинного термодинамического равновесия для изолированных, неискажённых фаз; соответственно, температура начала М. п. может значительно отличаться от температуры истинного равновесия. Стремление к минимуму упругой энергии напряжений определяет морфологию, внутреннюю структуру и взаимное расположение мартенситных кристаллов. Новая фаза образуется в форме тонких пластинок, определенным образом ориентированных относительно кристаллографических осей. Пластинки, как правило, не являются монокристаллами, а представляют собой пакеты плоскопараллельных доменов - областей новой фразы, различающихся ориентировкой кристаллической решётки (двойники). Интерференция полей напряжений от различных доменов приводит к их частичному уничтожению. Дальнейшее уменьшение упругих полей достигается образованием ансамблей из закономерно расположенных пластин. Таким образом, в результате М. п. образуется поликристаллическая фаза со своеобразным иерархическим порядком (ансамбли - пластины - домены) в расположении структурных составляющих.

Рост внутренних напряжений в процессе М. п. в определённых условиях приводит к установлению двухфазного термоупругого равновесия, которое обратимо смещается при изменении внешних условий: под действием механических нагрузок или при изменении температуры размеры отдельных кристаллов и их число изменяются.

Представленная картина, которой достаточно полно отвечают М. п. в сплавах цветных металлов, обычно в той или иной мере искажена процессами пластической релаксации - рождением и перемещением дислокаций. Релаксация внутренних напряжений делает М. п. существенно необратимыми, между прямым и обратным превращением возникает значительный гистерезис. «Оседание» дислокаций на межфазных границах уменьшает их подвижность и увеличивает их энергию, соответственно растет барьер для зарождения. Чем больше степень релаксации, тем при меньших отклонениях от точки истинного равновесия фаз может проходить превращение, но тем меньше его скорость и менее отчётливо проявляется закономерный характер продуктов превращения. В одном и том же материале, в зависимости от степени отклонения от точки истинного равновесия фаз и скорости релаксации, наблюдаются кинетически и структурно различные варианты превращения (быстрые «атермические» М. п., изотермические М. п., «нормальные», по кинетике подобные кристаллизации).

М. п. обнаружены во многих кристаллических материалах: чистых металлах, многочисленных сплавах, ионных, ковалентных и молекулярных кристаллах. Наиболее полно изучены М. п. в сплавах на основе железа, в частности в связи с закалкой стали (см. Мартенсит). Большие перспективы практического применения имеют возможность большого обратимого формоизменения при М. п. (например, создание «сверхупругих» сплавов и изделий, восстанавливающих первоначальную форму при нагреве после пластической деформации - «эффект памяти»), а также связь М. п. с появлением сверхпроводящих свойств в некоторых металлах. М. п. (часто в сочетании с диффузионным перераспределением компонентов и изменением атомного порядка) составляют основу многочисленных структурных превращений, благодаря которым с помощью термической и механической обработки осуществляется направленное изменение свойств кристаллических материалов. Значительный вклад в изучение М. п. внесли работы советских учёных (Г. В. Курдюмов и его школа).

Лит.: Курдюмов Г. В., Явления закалки и отпуска стали, М., 1960; Физическое металловедение, под редакцией Р. Кана, выпуск 2, М., 1968; Несовершенства кристаллического строения и мартенситные превращения. Сборник статей, М., 1972.

А. Л. Ройтбурд